根據PCI總線的實時測頻卡WDM驅動程序設計策略

PCI總線是一種與CPU無關的32／64位地址數據復用總線，工作頻率為33 MHz／66 MHz，它支持突發傳輸，具有即插即用、電源管理等功能。PCI總線以其優良性能和可適應性成為現代微機的主流總線。在開發PCI設備的過程中，需要為PCI設備寫驅動程序。Windows驅動程序模型(WDM)是Microsoft公司力推的全新驅動程序模式，它支持PhP、電源管理和WMI等技術。在Windows操作平臺上，WDM已成為主流的驅動模型。這里主要介紹根據工程背景開發的基于PCI總線的實時測頻卡的WDM驅動程序設計。

1實時測頻卡硬件系統結構

實時測頻卡的主要功能是實時測定信號頻率，實時識別信號調制方式。系統的電路框圖如圖1所示。外部待測信號通過SMA接口進入實時測頻卡的ADC。ADC輸出的數字信號在FPGA中緩存后進入DSP。在DSP內對信號進行粗估，然后通過EMIF接口把轉化為頻率和相位控制字的粗估結果發給DDC。DDC做出調整后，通過FPGA把移頻和降采樣后的信號輸入給DSP。 DSP依據粗估結果和DDC的數據進行實時測頻。測頻完畢后，通過PCI總線向PC機發出中斷信號。PC機響應中斷，讀取DSP內指定位置內存處的測頻數據。為簡化PCI接口電路設計，選用帶有PCI接口電路的DSP芯片TMS320C6416。



2 TMS320C6416的PCI接口介紹

實時測頻卡通過TMS320C6416的PCI接口和主機進行通信。該接口符合PCI 2.2規范，能提供33 MHz總線時鐘，32 b數據寬度，可達到峰值132 MB／s的數據帶寬。PCI接口包括配置寄存器、I／O寄存器和存儲器映射寄存器。圖2給出了部分PCI配置寄存器。配置寄存器的主要功能如下：

(1)設備的識別、控制和狀態指示。將供應商ID域、設備ID域、版本域、配置頭類型域、分類代碼域這五個域用于識別設備。所有的PCI設備必須設置這些域，配置軟件可利用它們來確定系統中可用的PCI總線設備。對于TMS320C6416芯片而言，供應商ID為104CH；設備ID為A106H；其他三個域隨不同的應用會有所改變。命令寄存器為發出和響應PCI總線命令提供粗略的控制。狀態寄存器用于記錄PCI總線有關操作的狀態信息。

(2)中斷引腳寄存器的功能。01H～04H值對應于PCI中斷請求引腳INTA#～INTD#。

(3)基地址寄存器的功能。其功能是為PCI設備指定存儲空間。PCI存儲空間分為獨立尋址的Memory空間和I／O空間兩類。Memory空間適用于設備功能寄存器較多或數據流量較大的場合，I／O空間適用于設備功能寄存器較少或數據流量較小的場合。PCI接口擁有3個基地址寄存器BAR用于保存指向PCI存儲空間的指針。圖2為部分PCI配置寄存器。



①Base 0基地址寄存器(BAR0)。確定一個4 MB可預取的PC機內存地址空間。將DSP存儲空間中不同的4 MB空間都映射到PC機內存相同的4 MB空間中。由DSP頁寄存器(DSPP)設置該區域在。DSP存儲空間中的映射位置；用BAR0訪問DSP內部的RAM和外掛的通過EMIFA和EMIFB訪問的存儲器空間。訪問時每次最多只能讀取DSP存儲空間的4 MB內容，并且需要定義DSPP寄存器，以指定訪問空間的起始地址。訪問支持數據突發傳輸模式。這種映射方式只適用于DSP處于從模式。

②Base 1基地址寄存器(BAR1)：確定一個8 MB不可預取的訪問區間。對DSP芯片而言，其訪問地址固定在0180000H～0200000H的范圍內。用BARl來訪問DSP內部所有的操作命令控制寄存器。

③Base 2基地址寄存器(BAR2)：定義一個16 B的PC機I／O空間，用于訪問PCI的I／O寄存器。BAR2加偏移00H，訪問主機狀態寄存器HSR；BAR2加偏移04H，訪問主機對DSP控制寄存器HDCR；BAR2加偏移08H，訪問DSP頁寄存器DSPP。

3 WDM概述

WDM(Windows Driver Model)是一種遵循即插即用協議的內核模式驅動程序，它是微軟的全新驅動程序模式，旨在通過提供一種靈活的方式來簡化驅動程序的開發，在實現對新硬件支持的基礎上，減少并降低必須開發的驅動程序數量和復雜性。在WDM中，采用圖3所示的分層驅動程序體系結構。



在WDM模型中，每個硬件設備至少有兩個驅動程序：總線驅動程序和功能驅動程序。總線驅動程序由操作系統實現，它在最底層直接與設備打交道，負責管理硬件與計算機的連接；負責發現總線上所有的設備，并檢測設備何時添加到總線上或何時從總線上刪除。設備功能驅動程序在上層通過與低層驅動程序打交道，進行硬件操作，以實現PCI設備的功能。中間還可以有類過濾驅動程序或設備過濾驅動程序用于修改和監視IRP(I／O請求包)，實現數據的過濾或轉換。一般在特殊的情況下才需要編寫。在實際開發中，只需要開發一個設備功能驅動程序即可。

WDM還引入了功能設備對象(Functional DeviceObject，FDO)與物理設備對象(Physical Device Object，PDO)來描述硬件。一個PDO對應一個真實的硬件，一個硬件只允許有一個PDO，卻可以有多個FDO。在驅動程序中直接操作的不是硬件而是相應的PDO與FDO。當應用程序與WDM驅動程序進行通信時，系統為每一個用戶請求打包，形成一個I／O請求包(IRP)結構，將其發送到驅動程序，并通過識別IRP中的PDO來區別是發送給哪一個設備。IRP從驅動程序堆棧棧頂進入，每層驅動再把I／O請求劃分成更簡單的請求，以傳給更下層的驅動執行，最底層的驅動程序在收到IRP后，通過硬件抽象層HAL與硬件發生作用，從而完成I／O請求工作。內核通常通過發送IRP來運行驅動程序中的代碼。

4測頻卡WDM驅動程序實現

在微軟公司DDK工具的支持下，Compuware Nu-Mega公司提供Driver Studio工具包中的DriverWorks將WDM驅動程序編寫所需的對內核及對硬件的訪問封裝成類庫，加上驅動程序代碼生成向導DriverlWizard，極大地簡化了驅動程序的開發難度。本文選擇DriverWorks作為WDM驅動程序的開發工具。

測頻卡驅動程序的主要功能是為用戶讀取所測信號的頻率參數，包括載頻、調制方式、碼元速率等。同時用戶還能通過驅動程序發送命令對測頻卡的工作方式進行控制。由此可知，驅動程序要重點處理好硬件訪問和中斷處理工作。

4.1I／O訪問

類KIoRange封裝了對I／O端口的操作。本卡中PCI配置寄存器中的Base 2基地址寄存器定義了I／O空間。在OnstartDevice例程中取得I／O資源，并初始化，其函數實現如下：



完成初始化后，可以用成員函數inb，inw，ind從I／O端口讀一個(多個)字節、字、雙字的數據；outb，outw，outd向I／O端口寫一個(多個)字節、字、雙字的數據。

4.2內存訪問

在Windows系統中，內存分為分頁內存和非分頁內存。在WDM驅動程序中，對于硬件的內存映射一般需要用非分頁內存。因為在一些較高級別的例程中，使用分頁內存會造成系統產生缺頁中斷，從而引起死鎖。使用非分頁內存無需太多的轉換，非常安全，效率也高。類KMemoryRange封裝了對PCI設備映射內存的操作。類KMemoryRange成員函數的讀／寫操作同類KIoRange。由PCI配置寄存器中的Base 0和Base 1基地址寄存器分別定義了兩個內存空間。在OnstartDevice例程中取得內存資源并初始化，其函數實現如下：

Status=m_MemoryRange0．Initialize(pResListTranslated，pResListRaw，PciConfig．BaseAddresslndexToOrdinal(0))；
Status=m_MemoryRangel．Initialize(pResListTranslated，pResListRaw，PeiConfig．BaseAddresslndexToOrdinal(1))；

4.3中斷處理

中斷處理一般需要聲明兩種類實例：Klnterrupt和KDeferredCall。Kinterrupt類用于實現硬件中斷處理；KDeferredCall類用于實現延時過程調用。首先創建一個Klnterrupt類實例m_Irq，將此實例作為設備類的成員變量，然后創建一個KDeferredCall類實例m_DpcFor_Irq。m_Irq對應的中斷服務例程和m_DpcFor_Irq對應的延時過程調用例程也需要在實例中聲明。這兩個實例m_Irq和m_DpcFor_Irq都是在OnstartDevice例程中初始化的，代碼如下：

status=m_Irq．InifializeAndConnect(pResListTranslated，LinkTo(Isr_Irq)，This)；
m_DpcFor_Irq．Setup(LinkTo(DpeFor_Irq)，this)；

中斷服務例程的處理時間應盡量短，對于一些耗時，但不需要立即處理的任務，中斷服務程序會調用一個低于中斷服務程序DIRQL級別的延遲過程調用程序DPC，在DISPATCH_LEVEL上完成處理，這個級別上的限制較少，函數調用也相對比較方便。在中斷服務例程中，首先判斷中斷是否是自己設備產生的，若不是，返回FALSE；若是，進行必要的處理，請求一個DPC(延時過程調用)，然后返回TRUE。關鍵代碼如下：



在延時過程調用例程DpcFor_Irq中，讀取所測信號的頻率參數：



5驅動程序與應用程序之間的通信

雖然驅動程序是為設備的硬件層編程服務的，但同樣需要提供和應用程序進行通信的能力，從而最終達到應用程序控制設備的目的。應用程序與驅動程序之間的通信通過調用Win32 API來實現，應用程序用Creatfile函數通過已經定義的設備接口來獲取驅動程序文件句柄，然后將文件句柄作為其他Win32 API函數的一個參數，對驅動程序的進行數據操作。調用DeviceloControl進行數據量較小的，如控制指令傳輸或端口、寄存器訪問；調用ReadFile，WriteFile等函數進行數據量較大的傳輸，如內存讀／寫等。驅動程序與應用程序的通信有DeviceControl異步完成、共享Win32事件通知兩種方式。Win32事件通知是由應用程序創建了一個事件后，設置事件的狀態為Unsignal，然后直接將該事件句柄傳遞給驅動程序，等待驅動程序發送事件通知。驅動程序通過類Kevent獲取這個事件的一個對象指針后，在IRQL≤DISPATCH_LEVEL級別的例程中設置事件信號狀態為Signal來通知應用程序進行后續處理。

6結語

基于上述的硬件結構和驅動程序設計方法，成功開發了一款實時測頻卡，在實際中得到了很好的應用，板卡工作正常，達到了預期效果。實踐證明，DriverWorks是一款功能強大，使用方便的驅動程序開發工具，利用它可以方便快捷地構造PCI設備的驅動程序框架，大大加快了開發周期，提高了開發效率。